CN114355607B - 空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法 - Google Patents

Abstract

空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，涉及通信终端技术领域，针对现有技术中波前探测光路与信号光接收光路静态像差差距较大时，会影响多模光纤(MF)接收功率的问题，本申请通过设置夏克哈特曼探测器初始子光斑坐标，能够有效地消除信号光接收光路与信标光波前探测光路的静态像差差距，避免了影响多模光纤(MF)接收功率，使得通信功能不受影响。

Description

空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法

技术领域

本发明涉及通信终端技术领域，具体为空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法。

背景技术

在接收与发射同光路的空间光通信终端中，使用自适应光学对发射与接收信号、信标光的波面像差进行校正。此时，通信终端有一条共光路与五条非共光路，其中波前探测光路仅起到探测波前像差的作用，并且可以对自身初始像差进行标定，所以通信终端对波前探测光路的像差要求是较低的，而对其他非共光路的像差要求相对来说较高。然而，传统自适应光学系统在波前探测光路中通过夏克-哈特曼波前探测器(SH-WFS)对波前像差进行探测，从而控制变形镜(DM)产生特定的面型补偿这一像差，这样只能保证波前探测光路接收信号像质良好，无法保证其他非共光路的像差也得到校正。当波前探测光路与信号光接收光路静态像差差距较大时，会影响多模光纤(MF)接收功率，从而对通信过程造成不良影响。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中波前探测光路与信号光接收光路静态像差差距较大时，会影响多模光纤(MF)接收功率的问题，提出空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建全光路模块，所述全光路系统包括五条光路：

光路一：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进行缩束，缩束后进入夏克-哈特曼波前探测器；

光路二：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，第二分束器输出的信标光经过聚焦透镜输出后进入CCD2；

光路三：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，进入第二分束器的信标光依次通过第三分束器、聚焦透镜、多模光纤后进入雪崩光电二极管；

光路四：本地信号光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

光路五：本地信标光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

步骤二：在望远镜出射端设置角反射镜，使本地信号光经由光路四从望远镜出射，然后经角反射镜反射后原路返回，再次进入望远镜，最终被光路三接收；

步骤三：开启本地信号光源和本地信标光源；

步骤四：对压电变形镜电极施加初始电压u⁰＝{0，0，...0}；

步骤五：读取雪崩光电二极管的接收功率P，通过公式J＝-P计算评价函数J^k(u^k)＝-P，其中J为评价函数，k表示第k次迭代结果，u表示压电变形镜控制电压向量；

步骤六：随机产生满足伯努利分布的扰动向量δu^k；

步骤七：对压电变形镜电极分别再施加正二分之一扰动向量δu^k和负二分之一扰动向量δu^k，然后分别读取雪崩光电二极管的接收功率P，并通过公式J＝-P计算评价函数

步骤八：根据

得到评价函数的变化δJ^k：

步骤九：根据扰动向量δu^k和评价函数的变化δJ^k得到u^k+1；

步骤十：判断k的值，若k＞500则停止循环，执行步骤十，若k＜＝500则令u^k＝u^k+1，重复步骤四至步骤九；

步骤十：获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，将该坐标值作为参考坐标s₀；

步骤十一：删除角反射镜，望远镜接收对向入射光，获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，记为s，偏移量dis＝s-s₀，将dis代入dis＝Au中，得到压电变形镜控制电压u，其中，A为变形镜响应矩阵。

本发明的有益效果是：

本申请通过设置夏克哈特曼探测器初始子光斑坐标，能够有效地消除信号光接收光路与信标光波前探测光路的静态像差差距，避免了影响多模光纤(MF)接收功率，使得通信功能不受影响。

附图说明

图1为空间光通信终端共光路与五条非共光路示意图；

图2为空间光通信小型化终端中基于角反射镜的非共光路像差自校正原理图；

图3为非共光路像差自校正简图；

图4为光路三100组随机波前波前RMS改善情况示意图。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建全光路模块，所述全光路系统包括五条光路：

光路一：入射信标光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进行缩束，缩束后进入夏克-哈特曼波前探测器；

光路二：入射信标光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，第二分束器输出的信标光经过聚焦透镜输出后进入CCD2；

光路三：入射信标光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，进入第二分束器的信标光依次通过第三分束器、聚焦透镜、多模光纤后进入雪崩光电二极管；

光路四：本地信号光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

光路五：本地信标光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

步骤二：在望远镜出射端设置角反射镜，使本地信号光经由光路四从望远镜出射，然后经角反射镜反射后原路返回，再次进入望远镜，最终被光路三接收；

步骤三：开启本地信号光源和本地信标光源；

步骤四：对压电变形镜电极施加初始电压u⁰＝{0，0，...0}；

步骤五：读取雪崩光电二极管的接收功率P，通过公式J＝-P计算评价函数J^k(u^k)＝-P，其中J为评价函数，k表示第k次迭代结果，u表示压电变形镜控制电压向量；

步骤六：随机产生满足伯努利分布的扰动向量δu^k；

步骤七：对压电变形镜电极分别再施加正二分之一扰动向量δu^k和负二分之一扰动向量δu^k，然后分别读取雪崩光电二极管的接收功率P，并通过公式J＝-P计算评价函数

步骤八：根据

得到评价函数的变化δJ^k：

步骤九：根据扰动向量δu^k和评价函数的变化δJ^k得到u^k+1；

步骤十：判断k的值，若k＞500则停止循环，执行步骤十，若k＜＝500则令u^k＝u^k+1，重复步骤四至步骤九；

步骤十：获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，将该坐标值作为参考坐标s₀；

步骤十一：删除角反射镜，望远镜接收对向入射光，获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，记为s，偏移量dis＝s-s₀，将dis代入dis＝Au中，得到压电变形镜控制电压u，其中，A为变形镜响应矩阵。

最后利用得到的压电变形镜控制电压u控制压电变形镜完成像差校正。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述评价函数的变化δJ^k表示为：

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述u^k+1表示为：

u^k+1＝u^k-γδJ^kδu^k

其中，γ为增益系数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，本实施方式与具体实施方式三的区别是所述压电变形镜包括43个电极，包括主反射镜上的40个电极和3个独立的俯仰/倾斜电极。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实施方式与具体实施方式四的区别是所述角反射镜为中空回射镜。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述压电变形镜为可变形压电变形镜。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，本实施方式与具体实施方式六的区别是所述夏克-哈特曼波前探测器探测波段为400～900nm，口径为4.5mm，微透镜个数≤700，尺寸为150μm，焦距为10mm。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七的进一步说明，本实施方式与具体实施方式七的区别是所述雪崩光电二极管的探测波段为850-1650nm。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体实施方式八的区别是所述本地信号光源和本地信标光源为激光二极管。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九的进一步说明，本实施方式与具体实施方式九的区别是所述激光二极管为ML620G40。

空间光通信终端光路示意图如图1所示，共光路为进入分束器BS1之前的、所有光都经历过的光路，包括望远镜、跟瞄系统等；五条非共光路中，接收光路为(1)信标光波前探测光路、(2)信标光接收光路、(3)信号光接收光路，发射光路为(4)信号光发射光路、(5)信标光发射光路。图1中，DM是变形镜，BS1～BS4是四个分束器，SH-WFS是夏克-哈特曼波前探测器。入射信标光经过望远镜、跟瞄系统、DM后，通过BS1分束，一部分被光路(1)接收，另一部分被CCD2接收；入射信号光通过BS1、BS2、BS3被光路(3)接收。本地信号光和本地信标光都依次通过BS4、BS3、BS2、BS1、DM、跟瞄系统和望远镜出射。信号光与信标光波段不同，并且光路(1)～光路(4)都装有滤波片。

空间光通信小型化终端中基于角反射镜的非共光路像差自校正装置的原理如图2所示，假设光路(4)产生的信号光和光路(5)产生的信标光是比较完美的点光源，并且光路(4)和光路(5)的像差可以忽略或相差较小。本地信号光通过整个光学系统从望远镜出射到角反射镜的表面，经过角反射镜的反射原路返回，再次进入望远镜，最后被光路(3)接收，本地信标光被光路(1)接收。光路(3)接收的光带有两倍的共光路静态像差与光路(3)的静态像差，光路(1)接收的光带有两倍的共光路静态像差与光路(1)的静态像差，二者的差距就是光路(3)和光路(1)的静态像差之差。由于光束波前像差会影响APD接收功率，则如果通过APD接收信号的功率得知波前像差，然后控制变形镜产生特定面型补偿这一像差，记录补偿后的波前探测量，就能够消除光路(3)与光路(1)的静态像差差距。

在这个过程中，必须要保证角反射镜能够使本地光束原路返回并且被光路(3)的APD成功接收。由光路可逆性原理可知，只要回射光严格地原路返回望远镜系统，一定能够被光路(3)的APD接收。但是，除非入射光束照射到角反射镜的正中心，否则它不会和回射光束重叠，而是二者具有相对位移。例如，如果入射光束照射到角反射镜中心右侧3mm处，则回射光束将出现在中心左侧3mm处。

在保证出射光恰好照射在角反射镜中心后，需要通过改变变形镜面型优化APD的接收功率至功率最大。使用随机并行梯度下降法进行迭代求解，公式如下式：

u^k+1＝u^k-γδJ^kδu^k (1)

其中上标k与k+1分别表示第k次迭代结果与第k+1次迭代结果，u为变形镜控制电压，J为评价函数，γ为增益系数。δu为施加的随机扰动，评价函数变化值为δJ：

δJ＝J₊-J_-＝J(u+δu/2)-J(u-δu/2) (2)

评价函数具体表达式如下：

J＝-P (3)

P为APD接收功率。所以，本发明对非共光路像差的校正步骤如下：

(1)望远镜停止接收对向入射光，水平转向面对角反射镜，如图3；

(2)开启本地信号光和本地信标光，开始进行非共光路像差校正，使用计算机完成步骤(3)～(10)；

(3)对可变形压电变形镜43个电极施加初始电压u⁰＝{0，0，...0}，u[1：40]为主反射镜上的40个致动器的控制电压，u[41：43]为3个独立的俯仰/倾斜致动器臂的控制电压；

(4)读取APD的接收功率P，通过公式(3)计算评价函数J^k(u^k)；

(5)随机产生满足伯努利分布的随机扰动向量δu^k＝{δu₁，δu₂，...δu₄₃}；

(6)读取APD的接收功率P，通过公式(3)计算评价函数

(7)通过公式(2)计算δJ^k；

(8)通过公式(1)计算u^k+1；

(9)判断k的值，若k＞500则停止循环，若k＜＝500则令u^k＝u^k+1，重复(3)～(8)过程；

(10)将优化后CCD1子光斑坐标保存在计算机硬盘中，作为参考坐标s₀；

(11)将望远镜转到可以通信的位置，通信终端恢复正常工作，每次闭环校正，CCD1都能接收到一组子光斑，坐标记为s，偏移量dis＝s-s₀，将dis代入公式(4)求得每次闭环校正的变形镜控制电压u，式中A为变形镜响应矩阵。

dis＝Au(4)

用SH-WFS测量光路(3)接收波前的像差，可测得100组随机波前RMS值的改善情况如图4所示。

空间光通信小型化终端中基于角反射镜的非共光路像差自校正装置具体实现方案如下：角反射镜为Thorlab公司型号为HRR202-P01的中空回射镜，入射孔径为

英寸，镀有保护层的银膜，对于450nm-2μm的波长，每个表面R_avg>97.5％，回射光束偏移小于20角秒。

变形镜为Thorlab公司型号为DMH40-P01的可变形压电变形镜，有保护层的银膜，工作波段为450nm-20μm，

光瞳，具有大行程，最高刷新率为4kHz，43个致动器(主反射镜上的40个致动器和3个独立的俯仰/倾斜致动器臂)。

SH-WFS选取OKO公司型号为UI-2210M的波前探测器，探测类型是CCD探测，探测波段为400～900nm，口径为4.5mm，微透镜个数≤700，尺寸为150μm，焦距为10mm。

测试计算机为一个电脑服务器，CPU为i7 4630K(6x3.4Ghz avec 12Mo LLC,2MoL2total)，主板ASUS X79-DELUXE，硬盘SAMSUNG SSD 840PRO 256GB，显卡为GAINWARDGEFORCE GT730 2GB DDR3 SILENT FX，内存为GSKILL 16GB(4X4)QUAD CHANNEL F3-14900CL9Q-16GBZL。

信标光源使用型号为ML620G40的激光二极管，波长为808nm，输出光功率为150mw，典型驱动电流为180mA ，最大220mA，尺寸为

。

信号光使用型号为FPL1001C的激光二极管，波长为1550nm，输出光功率为150mw，典型驱动电流为400mA，最大500mA。

探测器使用的是型号为APD310的雪崩光电二极管，探测波段为850-1650nm，3dB带宽是5-1000MHz，在1550nm波长下的响应度为0.9A/W。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建全光路模块，所述全光路模块包括五条光路：

光路一：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进行缩束，缩束后进入夏克-哈特曼波前探测器；

光路二：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，第二分束器输出的信标光经过聚焦透镜输出后进入CCD2；

光路三：入射光依次经过望远镜、跟瞄系统和压电变形镜，经过压电变形镜后的信标光通过第一分束器后进入第二分束器，进入第二分束器的信标光依次通过第三分束器、聚焦透镜、多模光纤后进入雪崩光电二极管；

光路四：本地信号光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

光路五：本地信标光源依次通过聚焦透镜、第四分束器、第三分束器、第二分束器、第一分束器、压电变形镜、跟瞄系统和望远镜后出射；

步骤二：在望远镜出射端设置角反射镜，使本地信号光经由光路四从望远镜出射，然后经角反射镜反射后原路返回，再次进入望远镜，最终被光路三接收；

步骤三：开启本地信号光源和本地信标光源；

步骤四：对压电变形镜电极施加初始电压u⁰＝{0，0，...0}；

步骤五：读取雪崩光电二极管的接收功率P，通过公式J＝-P计算评价函数J^k(u^k)＝-P，其中J为评价函数，k表示第k次迭代结果，u表示压电变形镜控制电压向量；

步骤六：随机产生满足伯努利分布的扰动向量δu^k；

步骤七：对压电变形镜电极分别再施加正二分之一扰动向量δu^k和负二分之一扰动向量δu^k，然后分别读取雪崩光电二极管的接收功率P，并通过公式J＝-P计算评价函数

和

步骤八：根据

和

得到评价函数的变化δJ^k：

步骤九：根据扰动向量δu^k和评价函数的变化δJ^k得到u^k+1；

步骤十：判断k的值，若k＞500则停止循环，执行步骤十，若k＜＝500则令u^k＝u^k+1，重复步骤四至步骤九；

步骤十：获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，将该坐标值作为参考坐标s₀；

步骤十一：删除角反射镜，望远镜接收对向入射光，获取夏克-哈特曼波前探测器中CCD1的子光斑坐标值，记为s，偏移量dis＝s-s₀，将dis代入dis＝Au中，得到压电变形镜控制电压u，其中，A为变形镜响应矩阵，最后利用得到的压电变形镜控制电压u控制压电变形镜完成像差校正；

所述评价函数的变化δJ^k表示为：

所述u^k+1表示为：

u^k+1＝u^k-γδJ^kδu^k

其中，γ为增益系数。

2.根据权利要求1所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述压电变形镜包括43个电极，包括主反射镜上的40个电极和3个独立的俯仰/倾斜电极。

3.根据权利要求2所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述角反射镜为中空回射镜。

4.根据权利要求3所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述压电变形镜为可变形压电变形镜。

5.根据权利要求4所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述夏克-哈特曼波前探测器探测波段为400～900nm，口径为4.5mm，微透镜个数≤700，尺寸为150μm，焦距为10mm。

6.根据权利要求5所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述雪崩光电二极管的探测波段为850-1650nm。

7.根据权利要求6所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述本地信号光源和本地信标光源为激光二极管。

8.根据权利要求7所述的空间光通信小型化终端非共光路像差自校正方法，其特征在于所述激光二极管为ML620G40。

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